第2章 金属切削过程的物理现象

1、第二章第二章金属切削过程的物理现象金属切削过程的物理现象 2 21 1 切削层的划分与变形切削层的划分与变形 金属切削过程如同金属材料的压缩或拉伸过程 ，就塑性工件材料来说，切削过程可用以下几个阶段来描述： 1 1）弹性变形阶段：弹性变形阶段： 刀具刚接触工件时的瞬间，刀具施加给工件的作用力较小，工件与刀具接触处产生弹性变形阶段，此时，若去掉外力，工件可以恢复原状。该阶段为弹性变形阶段。 2）塑性变形阶段：）塑性变形阶段： 刀具继续向工件施以切削力，应力达到工件材料的屈服点，金属开始沿滑移面方向产生滑移，这一阶段为塑性变形阶段。 3 3）挤裂阶段：）挤裂阶段： 刀具继续不断切入，金属内应力超过

2、了分子的内聚力，达到了材料的断裂强度，产生裂痕而被挤裂，这一阶段为挤裂阶段。 4 4）切离阶段：）切离阶段： 刀具继续切入，第一小块金属脱离工件，形成切屑，此时应力迅速下降。该阶段为切离阶段。 对于脆性工件材料来说，由于材料塑性很差，切对于脆性工件材料来说，由于材料塑性很差，切削过程中几乎不产生塑性变形。削过程中几乎不产生塑性变形。 21 切削层的划分与变形切削层的划分与变形2.1.22.1.2切削层的变形切削层的变形 为了便于进一步分析和认识切削层变形的规律，为了便于进一步分析和认识切削层变形的规律，通常把刀刃作用部分划分为三个变形区。如图通常把刀刃作用部分划分为三个变形区。如图2-12-1

3、所示的所示的I I、IIII、IIIIII。 图2-1 金属切削的三个变形区域图2-2 第一变形区金属的滑移 1第一变形区（剪切变形区）第一变形区（剪切变形区） 如图2-2所示从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成，这个区域叫第一变形区。2第二变形区（挤压变形区）第二变形区（挤压变形区）当切屑从刀具的前倾面排出时，受刀具前面的推挤和摩擦，必将发生进一步变形，这就是第二变形区的变形。这一变形主要集中在切屑底面一薄层金属里，使靠近刀具前倾面的金属纤维基本上与前倾面平行，离刀具前面愈远，影响愈小。2.1.2切削层的变形切削层的变形实验表明：刀具的前角愈小，这种挤压就愈强烈，切屑的变

4、形也就愈大(见图2-3) 第三变形区第三变形区 切屑沿刀具切削刃和前刀面从工件基本材料上剥离下来，进入第一和第三变形区的同时，由于受到刀刃钝圆半径、刀具后刀面对加工表面以及副后刀面对已加工表面的推挤、摩擦作用，使这两个面均产生了变形。这就是第三变形区 2.1.22.1.2切削层的变形切削层的变形图2-3 切屑的变形 2.2 切屑切屑2.2.1 切屑的种类切屑的种类被切金属经过第一变形区的剪切滑移后就变成了切屑。由于工件材料不同，切削条件不同，切屑的滑移变形程度不同，形成如图2-4所示的几种不同形状的切屑。 a) b) c) d)图2-4 切屑的种类a) 带状切屑b) 节状切屑c) 粒状切屑d)

5、崩碎切屑2.2.1 切屑的种类切屑的种类1 1带状切屑带状切屑 这是一种最常见的切屑形状。当切屑内剪应力小于材料的强度极限时，剪切滑移变形较小，切屑连绵不断，没有裂纹，就形成了带状切屑 2 2节状切屑节状切屑 当切屑内剪应力在局部地方达到了材料的破裂极限，会形成节状切屑。 3 3粒状切屑粒状切屑 当切屑内部剪应力超过了材料的破裂强度，切屑将沿剪切面完全断开，形成粒状切屑。4 4崩碎切屑崩碎切屑 切削脆性材料(如灰铸铁)时，由于材料的塑性很小，抗拉强度较低刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前面的局部金属，几乎不经过塑性变形就被挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成大小不等、形状各异的碎块状切屑。 2.2

6、.1 切屑的种类切屑的种类2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤1 1切屑与前刀面的摩擦切屑与前刀面的摩擦切屑与前刀面间的这种摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。如图2-5所示，切屑与前刀面接触去分为粘结区和滑动区两部分。图2-5切屑与前刀面摩擦特性 （1）粘结区）粘结区 切削刃长度lf1内，切屑底层不断以新生表面和前刀面接触。切屑底层变软的滞流层，会嵌入到前刀面的凹凸不平中，形成全面积接触，阻力增大，滞流层底层的流动速度可降低为零，在适当的温度与压力条件下，就形成粘结现象，把这个区域称为粘结区。 （2）滑动区）滑动区 在粘结区以外，切屑即将脱离前刀面的长度的范围lf2

7、内，由于切削温度低、压力小，切屑与前刀面之间只是突出的金属点接触，实际接触面积减少，其摩擦性质属于滑动摩擦，这个区域称滑动区。 2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤2积屑瘤积屑瘤切削钢、球墨铸铁、铝合金等金属时，在切削速度不高，常常在前刀面上粘结或冷焊有一层层金属，形成硬度很高的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这一小楔块称为积屑瘤，如图2-6所示。 2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤图2-6 积屑瘤 图2-7 切削速度对积屑瘤的影响 有关积屑瘤的形成，通常认为是由于切屑在前刀面上粘结造成的。当在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间

8、温度和压力的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞留”现象。 当切屑底层中剪应力超过金属的剪切屈服强度极限时，底层金属流速为零而被剪断，并粘结在前刀面上。该粘结层经过剧烈的塑性变形使硬度提高，在继续切削时，硬的粘结层有剪断软的金属层。这样层层堆积，高度逐渐增加，形成了积屑瘤。长高了的积屑瘤，受外力或振动的作用，可能发生局部断裂或脱落。积屑瘤的产生、成长和脱落是个周期性的动态过程。2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤积屑瘤的存在可代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用，还可增大刀具实际前角，对粗加工的切削过程有利；但是积屑瘤的顶端从刀

9、尖伸向工件内层，使实际被吃刀量和切削厚度发生变化，将影响工件的尺寸精度影响积屑瘤的主要因素有工件材料、切削速度、刀具前角及切削液等。工件材料的塑性越大，刀屑之间的摩擦系数和接触长度越大，切削温度就会越高，生成积屑瘤的可能性就越大；脆性材料一般不产生积屑瘤。切削速度对积屑瘤有很大影响，切削速度很低（vc13m/min）或很高（vc80m/min）时都很少产生积屑瘤，在中等速度范围内（加工普通钢vc20m/min）最容易产生积屑瘤，此时，其高度也最大， 2.2.2 切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤切屑与前刀面的摩擦和积屑瘤2.32.3切削力切削力2.3.1切削力的产生、合力及其分力切削力的产生、合力及其

10、分力1 1切削力的产生切削力的产生 切削时，有变形抗力作用在刀具上；又因刀具的后面和工件已加工表面之间、切屑和刀具之间有相对运动，这些摩擦力也作用在刀具上，这些力的合力称为切削阻力F，简称切削力。如图2-8所示。图 2-8切削力的来源2.2.切削力的分解切削力的分解为了便于分析切削力对工件、机床和刀具的影响，以车削外圆为例，可将切削力分解成为三个互相垂直的分力（如图2-9所示）： 2.3切削力切削力图2-9切削合力与分力主切削力主切削力( (切向分力或切削力切向分力或切削力)Fc)Fc 是作用在切削速度方向的分力。力的方向与主运动方向一致是切削力最大的分力，它消耗了切削总功率的95左右。是设计

11、和使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚性以及确定机床电动机功率、夹紧力的主要依据。 吃刀抗力吃刀抗力( (径向分力、切深分力或背向力径向分力、切深分力或背向力)Fp)Fp 是切削力在切削深度方向的分力.它使工件在水平面内弯曲，容易引起工件的振动和变形，是对工件加工精度影响最大的分力。用于计算与加工精度有关的工件挠度和刀具、机床零件的强度等。 2.3切削力切削力进给分力进给分力( (轴向分力轴向分力) Ff) Ff 是切削力在走刀方向的分力，又叫走刀抗力。由于在这个方向的运动速度较慢，所以它只消耗机床上很少的功率，但它是计算走刀机构强度的依据。切削合力与分力的关系为：切削

12、合力与分力的关系为： 2.3切削力切削力222pfcFFFF2.3.2切削力的测量与计算切削力的测量与计算1.1.切削力的测量切削力的测量 目前切削力的理论计算较复杂，只能作定性分析用。实践中求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测得或运用实验后整理成的实验公式求得。 测力仪的种类很多，有机械测力仪、液压测力仪和电测力仪等。机械、液压测力仪比较稳定、耐用，电测力仪的测量精度和灵敏度较高。电测力仪有电阻式、电感式、电容式、压电式和电磁式等几种，目前以电阻应变式测力仪用得较多。 电阻式测力仪的工作原理，如下图电阻式测力仪的工作原理，如下图2-102-10所示：所示： 2.3.2切削力的测量与计

13、算切削力的测量与计算图2-10 电阻应变片式测力仪2.2.切削力的计算切削力的计算生产中切削力的经验公式分两类：一是指数公式；一是按单位切削力计算的公式。1 1）切削力的指数公式）切削力的指数公式切削力 Fc= 背向力 Fp= 进给力 Ff= 2.3.2切削力的测量与计算切削力的测量与计算ccFcFcFcFncyxpFkfaCpFpFppFpFncyxpFkfaCFfncyxpFkfaCFffFFff2 2）单位切削力）单位切削力用单位切削力p来计算主切削力是一种更简便的形式。单位切削力是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。用p表示为：3 3工作功率的计算工作功率的计算工作功率指消耗在切削加

14、工过程中的功率。它可分为两部分：一部分是主运动消耗的功率Pc称为切削功率；另一部分是进给运动消耗的功率Pf 称为进给功率。 2.3.2切削力的测量与计算切削力的测量与计算DDbFFAFhfapcpccc工作功率的计算公式为：工作功率的计算公式为： P = Pc + Pf = （Fcv + Ff n工f）10-3由于进给功率相对切削功率Pc很小（12），可忽略不计。所以，工作功率P，可以用切削功率Pc近似代替。在计算机床电机功率Pm 时，还应考虑机床的传动效率m(一般取0.750.85),则： Pm Pcm 2.3.2切削力的测量与计算切削力的测量与计算2.3.4影响切削力的因素影响切削力的因素

15、1 1工件材料工件材料 工件材料的强度、硬度越高，其抵抗变形、挤裂的能力越强，因而切削抗力也就越大。强度、硬度相近的材料，塑性、韧性较大时，由于切削变形增大，硬化现象严重，而且摩擦系数增大，因此产生的切削力也较大。 2 2切削用量切削用量 切削用量中背吃刀量（深度）ap和进给量f决定了切削面积的大小，当两者加大时，切削力会明显增大。 ap的影响比f大。这是因为ap增加一倍时，切削宽度bo增加一倍，这时切削变形增加一倍，切削力随ap成倍的增加(图2-11a，c)。当f增加一倍时，切削厚度ao增加一倍，切屑底层的变形最严重，靠近切屑上层的变形逐渐减小，因此总的变形量不是成倍增加。这时切削力大约只增

16、加70(图2-11b，c)。 2.3.4影响切削力的因素影响切削力的因素 a b c图2-11 ap 和f对切削力的影响3 3刀具几何角度刀具几何角度 刀具几何角度中对切削力影响较大的是前角、主偏角、刃倾角，其中最显著的是前角。刀具前角增大时，切削变形减小，切屑流出容易，前刀面推挤金属的正压力和摩擦力都相应降低，因此切削力下降。主偏角r的大小除影响切削厚度ao和宽度bo外，还影响Fp与Ff之间的比例关系，由公式: FpFrcosr FfFrsinr可知r增大时，Fp减小而Ff增大(图2-12) 2.3.4影响切削力的因素影响切削力的因素 图2-12 主偏角对Ff和Fp的影响刃倾角s对Fc影响较

17、小，但s增大时，Fp减小，Ff增大。刀尖圆弧半径和负倒棱对切削力也有一定的影响。除以上因素以外，刀具的磨损、刀具材料、冷却润滑条件等因素都和切削变形及摩擦系数有关，对切削力也有一定影响。 2.3.4影响切削力的因素影响切削力的因素24 切削热和切削温度切削热和切削温度2.4.1切削热切削热1.1.切削热的产生切削热的产生 切削热是由切削功率转变而来的。切削热的直接来源是切削层的变形以及切屑与刀具、刀具与工件之间的摩擦，因此，三个变形区也是产生切削热的三个热源区。切削塑料材料时，切削热主要来源于金属切削层的塑性变形和切屑与刀具前刀面的摩擦。切削脆性材料时，切削热主要来源于刀具后刀面与工件的摩擦。

18、2.2.切削热的传出切削热的传出切削热产生以后，分别由切屑、工件、刀具和周围介质(空气和切削液)传出去。各部分传出热量的百分比，随工件材料、刀具材料、几何角度及加工方式不同而不同。 例如，高速钢车刀切削钢料时，约为5086%的切屑热由切屑带走；4010传给车刀； 9%3传给工件；1%左右通过辐射传入空气。切削速度越高，切削厚度越大，则由切屑带走的热量越多。24 切削热和切削温度切削热和切削温度2.4.22.4.2切削温度切削温度切削温度一般指切屑与前刀面接触区域的平均温度。由于刀具上各点与3个热源区（三个变形区）的距离不同，因此刀具上各点的温度分布不均匀。切削塑性材料时，切屑沿前刀面流出，热量

19、累积导致温度升高，而热传导又十分不利，在距离刀尖一定长度的地方温度最高，刀具磨损也是在此处开始。在切削脆性材料时，切屑呈崩碎状，第一区的塑性变形不严重，与前刀面的接触长度短，使第二区的摩擦减小，因此，第一区和第二区的温度不高，只有第三区的工件与刀尖的摩擦热是主要热源，这时刀具上最高点是在刀尖且靠近后刀面的地方，磨损也从此处开始。2.4.3影响切削温度的因素影响切削温度的因素1.1.切削用量对切削温度的影响切削用量对切削温度的影响（1 1）切削速度对切削温度的影响。）切削速度对切削温度的影响。 切削速度对切削温度的影响十分明显。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将不断升高(图2-13) 图2-13切削速度与切削温度的关系 图2-14进给量与切削温度的关系 （2 2）进给量对切削温度的影响。）进给量对切削温度的影响。 进给量对切削温度有一定的影响(图2-14)。随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产生的热量也增多。但进给量增大时，切屑的平均变形减小，因此切除单位体积切屑的变形功有所减小，从而使热量又有所减少。而当进给量增大时，切屑厚度增加，切屑的热容量增大，从切削区带走的热量也多。 2.4.3影响切削温度的因素影响切削温度的因素（3 3）切削深度对切削温度的影响）切削深度对切削温度的影响切削深度对切削温度的影响很小(图2-15)。因为随着切削深度增大,切削